增强现实技术在经皮腰椎椎间孔镜手术中的应用

胡亚威 张昊 罗新乐 周建华 陈少初 龚铭 张望 郭增峰 邓岳

腰椎间盘突出症是引起腰腿痛最常见原因之一,常需外科手术干预。目前手术方式主要有传统开发手术和微创手术2 种。经皮内镜椎间孔下椎间盘切除术(percutaneous endoscopic lumbar discectomy,PELD)可减少对正常稳定脊柱结构的不必要损伤,已被证明是一种安全有效的方法［1］。然而,缺乏解剖学标志、陡峭的学习曲线和辐射暴露是主要的问题,有时也是医源性损伤的原因。然而,与开放手术相比,PELD 经狭小的椎间孔进入椎管或经Kambin 三角进入椎间盘内,操作常常受限且风险增加,尤其依赖于工作管道置入的准确性,否则,可能导致严重的并发症,如神经和血管损伤［2,3］,另外学习曲线陡峭、辐射暴露也是影响该技术发展的主要原因［4,5］。增强现实(augmented Reality,AR)是在虚拟现实(virtual reality,VR)基础上发展起来的一项新型多媒体技术,它集合了计算机图形学、数字图像处理、人机交互、计算机视觉等技术,将计算机生成的模拟图像融合到真实世界场景［6］。AR 技术在医学手术中也越来越体现出其独特的价值,在AR 环境下,医生能模拟手术操作过程,明确术中的难点及风险点,有助于医生更好的设计手术方案。目前,已逐步应用于神经外科、创伤外科、整形外科等领域,进行手术的规划和模拟［7-9］。针对AR 技术应用到经皮腰椎椎间孔镜手术个体化术前规划的研究在国内外报道较少。本研究通过AR 技术实行个体化术前规划,探讨了AR 技术在皮腰椎椎间孔镜手术中的应用。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2019 年12 月～2020 年12 月本院收治的80 例需行椎间孔镜手术的腰椎间盘突出症患者,采用随机数字表法分为观察组与对照组,各40 例。纳入标准：椎间盘突出较大、钙化明显、髂棘较高等较复杂、风险较高腰椎间盘突出症椎间孔镜手术患者。排除标准：伴有腰椎滑脱、腰椎不稳、椎间盘源性腰痛、腰椎管狭窄等疾患或患有无心脏、神经、肝肾功能障碍等严重的系统性疾患不适宜手术者不予入选。所有拟手术患者均签署手术知情同意书及知情同意书。两组的性别、年龄、体质量指数、术前VAS 评分比较差异无统计学意义(P＞0.05),具有可比性。见表1。

表1 两组患者一般资料比较(n,)

表1 两组患者一般资料比较(n,)

注：两组比较,P＞0.05

1.2 方法

1.2.1 术前准备 观察组术前使用AR 技术生成个体化术前规划报告。模型重建：将患者腰椎CT、磁共振(MRI)等影像学资料导入AR 医学影像平台进行CT 及MRI 的3D 结合模型重建。全方面反映出突出髓核大小、位置、周围骨性组织及软组织、血管、神经走向。定位：根据椎间盘突出位置,选择合适靶点进行定位。转针：调整进针方向,选择最佳穿刺入路。测量：测量距离中线距离、上缘面距离、入阵深度、C 臂及倾斜角度等相关参数并进行模拟置管。然后在进行模拟C 臂机透视、佩戴AR 设备,进行AR 模拟手术操作,明确术中难点,规避风险,生成个体化术前规划报告。随后进行现实手术。对照组术前阅片制定手术计划。

1.2.2 手术方法 患者俯卧位,C 臂机透视,选择后正中线、患侧髂嵴投影线,在髂嵴上选择合适进针点位置,0.5%利多卡因局部麻醉,经皮穿刺后使用导针进行定位,腰椎X 片正位显示导针针尖位于L4、L5上下椎弓根连线中点,侧位提示导针针尖位于椎体后院,C 臂机透视定位准确后,取出针心,注入造影剂行椎间盘造影,在穿刺针处皮肤切一个约8 mm 切口,置入导丝及导引杆、逐级扩张管道,使用扩钻孔行椎间孔成形,置入工作套管,放置内窥镜。在镜下用髓核钳将染色突出的髓核组织取出,射频电极封堵破损纤维环、止血。退出工作套管及内窥镜,皮内缝合伤口,敷料包扎手术切口,手术结束。

1.3 观察指标及判定标准 比较两组手术透视次数、穿刺定位时间、手术时间、VAS 评分及住院时间。①手 术时间：从穿刺定位到缝皮结束的时间。②VAS 评分：分别于术前和术后24、48、72 h 评估患者VAS 评分,0 分为完全无痛,1～3 分为有轻微疼痛能忍受,4～6 分为疼痛影响睡眠需要干预,≥7 分为强烈疼痛,10 分为剧烈疼痛无法忍受［10,11］。③住院时间：为避免术前因各种原因导致手术延迟而造成统计学误差,选取手术日期至出院日期天数为住院时间。

1.4 统计学方法 采用SPSS21.0统计学软件对数据进行处理。计量资料以均数±标准差()表示,采用t 检验；计数资料以率(%)表示,采用χ2检验。P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组手术透视次数、穿刺定位时间、手术时间比较 观察组患者手术透视次数(13.89±3.07)次,少于对照组的(20.87±4.22)次,穿刺定位时间(18.54± 5.32)min、手术时间(77.02±13.01)min,短于对照组的(29.01±6.15)min、(88.91±14.93)min,差异均有统计学意义(P＜0.05)。见表2。

表2 两组手术透视次数、穿刺定位时间、手术时间比较()

表2 两组手术透视次数、穿刺定位时间、手术时间比较()

注：与对照组比较,aP＜0.05

2.2 两组VAS 评分及住院时间比较 术后24、48、72 h,两组患者的VAS 评分均低于术前,且观察组患者的VAS 评分均低于对照组,差异具有统计学意义(P＜0.05)；观察组患者的住院时间(5.09±1.02)d 短于对照组的(6.13±0.99)d,差异具有统计学意义(P＜0.05)。见表3。

表3 两组VAS 评分及住院时间比较()

表3 两组VAS 评分及住院时间比较()

注：与本组术前比较,aP＜0.05；与对照组比较,bP＜0.05

3 讨论

腰椎间盘突出症是引起腰腿痛的常见原因,发病率可高达40%［12］。椎间盘突出较大、症状严重、影响正常生活工作的患者往往需要手术治疗。传统开放式手术,需采用5～6 cm 的较大切口,剥离椎旁肌肉,切除部分椎板和关节突关节的骨质,虽然能达到解除神经根压迫,缓解疼痛的目的,但创伤较大、出血多、恢复时间慢,同时有可能带来脊柱稳定性的破坏等问题［13,14］。随着科技的发展和设备的进步,手术越来越微创化、精细化。其中经皮椎间孔镜技术因其局麻下操作、切口小、出血少、不破坏脊柱稳定性、疗效确切、恢复快等一系列优点得到越来越广泛的应用［15,16］。其中有代表性的就是杨内窥镜脊柱手术(YESS)或经口内窥镜脊柱系统(TESSYS)技术［17,18］。

这两种手术技术的操作难点与关键步骤就在于如何精准的定位,手术初学者往往因为操作不熟练、空间想象力不够等因素无法准确达到目标位置,使辐射曝光增加、手术操作难度增加,并容易产生神经根损伤、硬膜囊撕裂、血肿、感染等并发症,无法到达满意的治疗效果［19-21］。

为此,国内外众多学者对如何提高穿刺精准度进行了研究。曾月东等［22］设计制作了椎间孔镜穿刺辅助定位器,运用辅助定位器以能提高穿刺成功率,减少术者及患者摄片定位次数,目前临床应用时间较短,穿刺病例数量有限。Abdullah 等［23］报道了三维X 线机在手术中的应用,其主要不足在于辐射暴露量及手术费用增加等问题,很难进行普遍推广。范国鑫等［24］发明了同心圆椎间孔镜定位器,并对其小样本实验进行了回顾性研究,该定位器科研减少35.56%的透视次数,但对于L5/S1高髂嵴或者横突肥大的病例,较难一次达到理想位置。同时,以上技术均着重于穿刺点的研究,在术中进行临时操作,无法在术前对手术中可能遇到的风险及难度做出预判,制定出个体化的手术方案。

国内与医疗领域结合的相关研究工作虽然较国外起步晚,但也已取得了一定成果。虚拟现实及AR 技术通过整合CT、MRI、数字减影血管造影(DSA)等检查结果,重建3D 模型,有助于外科医生进行教学模拟、术前计划及术中导航,从而提高手术安全性,降低术后并发症,为精细的个体化手术开辟了新的天地。基于虚拟现实及AR 技术的多模态功能神经导航计划平台,已经逐步在神经外科术前规划、教学中的展开应用［25,26］。

本实验采用的AR 技术平台,能够兼容DICOM 格式图片,而且可以将CR 与MRI 图像三维重建后进行融合,重建后的MRI 可以反映突出的髓核及其周围软组织的情况,另外一方面CT 图像则可以较清晰的反映髓核周围骨性结构的情况,在处理关节突增生或钙化方面对术者有较大的帮助。图像重建后,医生佩戴AR眼镜,可以在眼前出现一个三维立体的模型,并且该模型可以在冠状面、矢状面、横断面均可以360°旋转,帮助医生在三维立体层面全方位理解髓核突出具体形态及周围解剖结构。

本次实验中,观察组通过AR 技术平台,规划好穿刺进针点及穿刺角度、深度等各种参数,制定个性化的手术方案,并在虚拟的“真实场景”中不断的模拟手术,了解手术的难点和关键点。在实际手术过程中,通过事先的预演,可以更准确的达到靶点,减少透视次数,避免重复操作,降低了医源性的损伤。观察组患者手术透视次数(13.89±3.07)次、穿刺定位时间(18.54± 5.32)min、手术时间(77.02±13.01)min 均少于对照组的(20.87±4.22)次、(29.01±6.15)min、(88.91±14.93)min,差异具有统计学意义(P＜0.05)。说明通过AR 技术平台术前规划和模拟手术,能够有效的减少X 线的曝光次数,减少患者和医务人员的辐射损伤。术后24、48、72 h,两组患者的VAS 评分均低于术前,且观察组患者的VAS 评分均低于对照组,差异具有统计学意义(P＜0.05)；观察组患者的住院时间(5.09±1.02)d 短于对照组的(6.13±0.99)d,差异具有统计学意义(P＜0.05)。说明术前采用AR 技术平台术前规划和模拟手术,能提供更好的手术效果,缩短住院时间,提高患者满意度。

综上所述,AR 技术通过靶点定位、选择进针方向、角度,测量置管深度,进行术前模拟手术操作,明确术中难点及风险,制定个体化术前规划,能够提供精确的术前规划并进行术前模拟操作,可显著提高PELD 的穿刺精度,减少透视和定位时间,提高手术定位精度、减少并发症的发生、降低医疗风险,提高手术安全性,减少患者与医生的X 线暴露、缩短住院时间,在临床工作中有较大的应用价值。